一種新型熱電互補太陽灶設計

周冰 張永萍 嚴桂林

摘要：當今，新能源技術的應用已日益廣泛，尤其太陽能的利用已經(jīng)非常普遍，太陽能利用有光伏發(fā)電、熱發(fā)電、光熱利用等等，太陽灶在我國已經(jīng)是非常普及的一種太陽能熱利用的設備，尤其是在廣大農(nóng)村。但由于其只能供熱，且無法實時跟蹤陽光，效率較低。本項目是一種新型的熱電互補太陽灶。由灶體、砷化鎵太陽電池、蓄電池、換熱器、蓄水箱、自動跟蹤裝置組成。太陽灶匯聚陽光照射到砷化鎵太陽電池上，發(fā)電并儲存到蓄電池中，通過換熱器給電池散熱的同時，循環(huán)加熱其中的冷水，充分利用砷化鎵電池發(fā)電所產(chǎn)生的余熱，也可以直接放置水壺鍋等烹飪食物的器具，進行直接加熱。使用自動跟蹤裝置，對太陽方位進行實時追蹤，實現(xiàn)最大功率輸出。整個系統(tǒng)效率高、用途廣、成本較低、運行平穩(wěn)、功能易于實現(xiàn)，有較好的市場推廣應用潛力。

關鍵詞：太陽灶;聚光;光伏發(fā)電;熱電互補

1.設計背景

21世紀以來，能源危機日益嚴峻，煤氣漲價、電價上升、油價連續(xù)走高，人們逐漸把目光轉(zhuǎn)向了太陽能的利用上。而在緩解農(nóng)村能源緊缺、保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境方面，太陽灶起到了很好的作用。

太陽灶的熱量高，太陽灶匯集的光線溫度相當于1000瓦功率的電爐，1千克生水僅用8分鐘即可煮沸，節(jié)能環(huán)保，對環(huán)境和人體沒有任何污染;操作簡單，成本較低，在任何有陽光的地區(qū)都可以使用。

現(xiàn)有太陽灶的使用對環(huán)境有一定的依賴，只能在白天晴天使用，陰雨雪天和夜晚無法使用?？傮w熱性能不高，多數(shù)時刻的太陽高度角，距離“設計初始太陽高度角”較遠，斜射角較大，散光嚴重，且無法及時跟蹤陽光，利用率較低。

本項目將普通聚光太陽灶與砷化鎵太陽電池相結(jié)合，并且增加自動跟蹤裝置，實時跟蹤陽光，提高系統(tǒng)效率。在將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能和電能的同時，通過主動制冷的方式，對太陽電池快速散熱，同時，充分利用熱能產(chǎn)生熱水，最終實現(xiàn)太陽能光熱和光伏的綜合利用，充分發(fā)揮整體效能。

2.設計思路

2.1總體設計思路

將砷化鎵太陽電池與太陽灶相結(jié)合，不僅能夠匯聚陽光加熱介質(zhì)，在烹飪時間之外，利用砷化鎵電池發(fā)電并存入蓄電池為控制裝置及其他用電器供電;配置換熱器與蓄水箱，充分利用砷化鎵電池發(fā)電時所產(chǎn)生的余熱;使用自動跟蹤裝置，實時跟蹤陽光，從而使系統(tǒng)效率得到提升。

2.2單元設計

（1）灶體

在考慮成本的基礎上，仿照通用的聚光太陽灶，使用菱鎂復合材料，強度高、價格低、成形性好、方便運輸;反光材料使用鍍鋁薄膜，反射率高、使用更換方便。

（2）光電轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換部分采用砷化鎵太陽電池，與換熱器相結(jié)合，在轉(zhuǎn)換電能的同時將熱量傳輸至換熱器，給電池散熱的同時充分利用發(fā)電所帶來的熱能，使換熱器內(nèi)冷水的溫度得到提升。

聚光光伏所利用的太陽電池是技術的重心和根本，初期大多使用晶體硅太陽電池。因為砷化鎵多結(jié)電池光電轉(zhuǎn)換效率高，而且具備很好的高溫特征可實現(xiàn)高倍聚光，目前國際上更趨向于使用其使高倍聚光光伏技術得到快速發(fā)展。與硅晶體太陽能電池和薄膜電池相比，砷化鎵太陽能電池可采用聚光技術和光追蹤技術，優(yōu)勢突出。

電池和冷卻介質(zhì)間優(yōu)良的熱傳導性和電絕緣性以及電池工質(zhì)的滲漏問題是電池水冷必須解決的主要問題。

采用可移動裝置，在裝置背面安裝砷化鎵電池，接收太陽灶匯聚的陽光進行發(fā)電，在裝置背面安裝換熱器，在給砷化鎵電池散熱的同時加熱換熱器內(nèi)由水泵循環(huán)泵送的冷水，并儲存到蓄水箱中，供用戶日常使用，也可以將砷化鎵電池移動到支架后方，在支架上部直接放置水壺鍋等烹飪食物的器具，使所匯聚陽光直射加熱容器底部，實現(xiàn)快速加熱，達到光伏與光熱的同時利用。

（3）自動跟蹤裝置

使用太陽能自動跟蹤器控制直流減速電機轉(zhuǎn)動，達到實時跟蹤陽光的目的，大大提高太陽能的利用率。跟蹤精度高，平均跟蹤精度≤1度，一分鐘跟蹤一次，具有自動運行、手動運行、參數(shù)設定三種狀態(tài)可供選擇，具有手動控制功能，方便跟蹤系統(tǒng)調(diào)試、維護，有效日照時間內(nèi)全程自動跟蹤控制，一天跟蹤完成后，自動回到初始設定位置。

（4）主體

主機部分主要用來放置儲能蓄電池、充電控制器和陽光跟蹤控制系統(tǒng)，設置在灶體下部，避免陽光照射，也可降低灶體重心，穩(wěn)定灶體。并且蓄電池中儲存的電能可為自動跟蹤裝置，水泵等設備中的組件進行供電，大大減少連接線路的復雜程度以及太陽灶使用的局限性，也可以為庭院燈等小型用電器進行供電。

3.存在的問題

太陽灶的成功設計與使用使人們能更好地利用太陽能，但本研究所使用的砷化鎵電池中的砷熔點僅有615℃，因此砷為蒸汽，劇毒。砷在空氣中的最高容許濃度為0.0003mg/l。在空氣中加熱后會發(fā)生氧化還原反應，產(chǎn)生三氧化二砷（砒霜）的劇毒物質(zhì)，致死量0.1g。因此砷化鎵后期的回收與處理問題十分嚴峻。此外，自動跟蹤裝置的使用雖然大大提高發(fā)電量，但長期處于室外使自動跟蹤裝置的保護與維修顯得十分重要。

4.前景與展望

計劃研究的太陽灶將砷化鎵太陽電池與太陽灶相結(jié)合，實現(xiàn)太陽灶的熱電互補;配置換熱器與蓄水箱，給電池散熱的同時，充分利用其發(fā)電時所產(chǎn)生的余熱;使用太陽能自動跟蹤器控制直流減速電機轉(zhuǎn)動，達到實時跟蹤陽光的目的，大大提高太陽能的利用率;并且在烹飪時間之外，利用砷化鎵太陽電池發(fā)電并存入蓄電池為控制裝置供電，也可為庭院燈等小型用電器供電。目前市場上的太陽灶功能單一，且熱效率低，但潛在市場很大。我們對太陽灶的改進技術成本較低，效率更高，用途更廣，因此有著明顯的競爭優(yōu)勢。